Ленинградский орденов Ленина и Трудового Красного Знамени горный институт имени Г.В. Плеханова
Кафедра разработки пластовых месторождений
ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ОРГАННЫХ СТЕНОК ОК-150 И ОКУ.
ВОПРОСЫ РАБОЧЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОРГАННЫХ СТЕНОК
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель доц. БОРИСОВ Д.Ф.
Ленинград, 1959
/3/
ВВЕДЕНИЕ
В комплексе производственных
процессов по добыче угля одно из важнейших мест занимает управление
кровлей.
В условиях пологопадающих пластов Донецкого бассейна наиболее эффективным способом управления кровлей является полное обрушение. До войны и в первые послевоенные годы полное обрушение было распространено меньше, чем частичная закладка. Так, в 1950 г. в лавах, работающих с полным обрушением, было добыто 32,6% всего угля по Донбассу, в лавах с частичной закладкой - 51,0%.
Ограниченное распространение управления кровлей полным обрушением объяснялось не геологическими условиями, а рядом производственных факторов, куда в первую очередь следует отнести высокую трудоемкость по возведению органной крепи и большие затраты лесоматериалов. В качестве органной крепи в то время применялась деревянная органка, реже - кусты.
Применение металлических стоек в качестве органной крепи не дало эффекта в отношении трудоемкости работ, а вместо расхода лесоматериалов появились потери металлической крепи.
С целью большего распространения управления кровлей полным обрушением в 1948 г. Гипроуглемашем был создан новый вид крепи - так называемые «органные стенки» (следует отметить, что ввиду отсутствия определенной терминологии в последнее время некоторые специалисты называют эту крепь «посадочные стойки»).
Первая конструкция органных стенок МОС-1 представляла собой жесткую крепь с рабочим сопротивлением 250 т. Органные стенки МОС-1 и последующие (усовершенствованные конструкции жестких органных стенок работали удовлетворительно, если они применялись с деревянными прокладками, без прокладок же отмечались частые случаи деформации крепи. Этот факт, а также опыт применения в качестве органной крепи металлических податливых стоек и специальные \4\ наблюдения, проведенные ДонУГИ на шахтах Донбасса, указали на возможность и целесообразность создания органных стенок облегченного типа, имеющих податливую характеристику.
По этим данным в 1952 г. Гипроуглемашем были созданы для маломощных пластов органные стенки ОК-150 с рабочим сопротивлением 150 т.
Испытаниями установлена работоспособность этой крепи. С 1953 г. органные стенки ОК-150 начали изготовляться серийно. Впоследствии их конструкция была усовершенствована, новая крепь получила наименование ОКУ.
Количество лав, где применяется крепь ОК-150 и ОКУ, с каждым годом увеличивается. В начале 1957 г. на Донбассе работало уже около 400 лав с этой крепью. Ведется внедрение на шахтах Карагандинского бассейна, Кузбасса, Львовско-Волынского бассейна.
Опыт применения крепи ОК-150 и ОКУ показал, что ее рабочее сопротивление и характеристика (зависимость между сопротивлением и податливостью) в ряде случаев не соответствует техническим условиям, что снижает эффективность применения данной крепи, Отмечены также случаи неудовлетворительной работы органных стенок в связи с изменением рабочей характеристики в процессе эксплуатации
В настоящей работе поставлены две задачи:
1) выяснить вопрос соответствия рабочей характеристики органных стенок техническим условиям; 2) установить причины и характер изменения рабочей характеристики.
Для решения задач использованы данные по изучению работы органной крепи, освещенные в технической литературе, а также поставлены специальные исследования в шахтных условиях и в лабораториях.
Работа состоит из 6 глав.
ГЛАВА I
Конструкция и условия применения органных стенок ОК-150 и ОКУ
В этой главе приводится техническая характеристика и описывается конструкция и принцип работы органных стенок. Приводятся примеры неудовлетворительного применения органных стенок в связи с неправильно составленными паспортами управления кровлей и крепления. Рассматриваются \5\ основные положения, которые должны учитываться при составлении паспортов, и типовые паспорта, предложенные ДонУГИ.
Здесь же описываются общие положения организации работ по управлению кровлей с применением органных стенок.
ГЛАВА II
Основные направления исследований
В начале главы определяются понятия несущей способности органного ряда, рабочего сопротивления крепи, рабочей характеристики; рассматриваются наиболее распространенные типы рабочей характеристики: постоянного сопротивления и возрастающего сопротивления.
Одним из направлений исследований явилось изучение соответствия рабочей характеристики органных стенок техническим условиям. Для решения этого вопроса необходимо иметь представление о роли органной крепи в механизме взаимодействия боковых пород с крепью.
На основе анализа работ по изучению механизма взаимодействия боковых пород с крепью, основанных на теоретическом изучении, производственном эксперименте и опытах на моделях из эквивалентных материалов (работы В.Т. Давидянца, Г.Н. Кузнецова, А.Д. Панова и бельгийских специалистов Лабасса, Преа и др. авторов), установлены следующие положения по вопросу о назначении органной крепи.
Ведение очистных работ вызывает изменение напряженного состояния окружающих выработку горных пород, в результате чего в непосредственной близости к выработке породы оказываются разбиты системой трещин. Эти трещины ослабляют массив, но связи между отдельными участками кровли частично сохранены. Степень связности зависит от величины опускания кровли. При значительном опускании кровли может произойти полное нарушение связности, что приведет к осложнениям работ в лаве и к завалам. Органная крепь должна создавать достаточно жесткую опору, чтобы опускание кровли не превышало предельную величину, при которой полностью нарушается связность пород.
Однако при очень жесткой опоре со стороны органной крепи растрескивание пород может оказаться слабым, что ухудшит обрушаемость непосредственной кровли. Поэтому величина опускания кровли должна находиться между нижним \6\ пределом (условие хорошего обрушения) и верхним (условие связности непосредственной кровли).
Таким образом, назначение органной крепи - управлять движением кровли и тем самым регулировать степенью связности и обрушаемости пород.
Для изучения вопроса, какую характеристику должны иметь органные стенки с точки зрения указанного их назначения, настоящей работой было предусмотрено проведение специальных исследований в шахтных условиях.
Другим направлением исследований явилось изучение причин и характера отклонения фактической характеристики от проектной. Задача связана с изучением вопросов трения, поэтому решение ее может иметь значение не только для данных конструкций, но и для других видов фрикционной крепи.
Анализ конструкции органных стенок ОК-150 и ОКУ показывает, что основной причиной изменения рабочей характеристики этой крепи в процессе эксплуатации является изменение коэффициента трения. Зависимость сопротивления органных стенок от коэффициента трения приведена на рис. 1 (линия
). Здесь же указано
изменение распорного усилия при нагрузке на стенку 70 т. Как
видно из этого графика, сопротивление органных стенок с коэффициентом
трения связано параболической зависимостью в отличие от прямолинейной
зависимости у металлических стоек. Это указывает на особую
чувствительность органных стенок к изменениям коэффициента трения.
Одним из недостатков фрикционных крепей является скачкообразная податливость, связанная с резким снижением коэффициента трения при переходе от покоя к движению. Анализ этого вопроса на основании положений теоретической механики показывает, что в связи со скачкообразной податливостью крепь часто полностью разгружается. Полная разгрузка крепей с плоскопараллельными поверхностями трения происходит при мгновенном снижении коэффициента трения в два раза при переходе от покоя к движению; условие полной разгрузки органных стенок ОК-150 и ОКУ имеет вид:
\7\
где:
- коэффициент упругости системы, оказывающей давление
на крепь;
- коэффициент, определяющий степень изменения
распорного усилия при податливости;
- функция коэффициента трения, определяющая связь
между сопротивлением стенки и распорным усилием, соответствующая трению
покоя;
- та же функция, соответствующая трению движения;
множитель (1 - 2) определяет характер изменения коэффициента трения при
переходе от покоя к движению.
При плавном снижении коэффициента трения принимается множитель 1, при мгновенном снижении - 2.
Вопросы трения применительно к шахтной крепи изучались советскими и зарубежными специалистами (Комиссаров, Шумейко, Ковальский, Куун, Якоби и др.), но некоторые стороны изучены недостаточно. Установлено, что основной \8\ причиной изменения коэффициента трения является влияние угольной мелочи и влаги, но вопросы, как влияет состав угля, удельное давление и некоторые другие факторы на коэффициент трения изучены слабо. Одним из основных вопросов исследований явилось выявление связи между условиями эксплуатации и степенью загрязненности крепи углем.
Для решения поставленной задачи в лабораторных условиях были поставлены опыты с целью определения причин и характера изменения рабочей характеристики органных стенок, а также специальные исследования по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения.
ГЛАВА III
Исследования работы органных стенок в шахтных условиях
В этой главе рассматривается методика исследований работы органных стенок в шахтных условиях, описаны условия применения органных стенок и приводятся результаты исследований.
Исследования проводились на шахтах № 9 и № 27 треста «Снежнянантрацит», «Центрально-Боковской» треста «Боковоантрацит», «Пролетарской-Глубокой» треста «Макеевуголь», № 43 треста «Чистяковантрацит». Использованы первичные материалы исследований на шахте № 3-бис треста «Чистяковантрацит», главной целью которых было изучение работы гидравлических стоек.
По данным исследований, максимальная нагрузка на органные стенки в течение цикла их работы (с момента установки до момента передвижки) в среднем составляет 40-50 т, в некоторых лавах в периоды осадки основной кровли отмечались редкие случаи нагрузок порядка 100-120 т.
Средняя податливость органных стенок в зависимости от лавы и цикла наблюдений изменяется в пределах от 6 до 60 мм. Отмеченная за период исследований максимальная податливость составила 101 мм.
Опускание кровли подчиняется тем же закономерностям, которые были установлены ранее: наибольшая скорость опускания кровли отмечена в периоды ведения производственных процессов выемки угля и посадки (4-6 мм/час), в периоды отсутствия этих процессов скорость опускания кровли около 0,5 мм/час. \9\
Нагрузка на органные стенки примерно следует той же закономерности, что и опускание кровли. Сразу после установки органной стенки нагрузка на нее интенсивно растет, что связано с интенсивным движением кровли в период посадки лавы. После обрушения кровли против ряда наблюдений рост нагрузки замедляется, а если перед этим произошел сброс нагрузки - приостанавливается. При проходе комбайна нагрузка снова интенсивно растет. К концу рост нагрузки затухает, в отдельных случаях наблюдается ее снижение.
При исследованиях часто наблюдалась скачкообразная податливость органных стенок, сопровождаемая громким стуком. Скачок всегда сопровождался сбросом нагрузки. Зафиксированы также групповые скачки, т. е. случаи, когда в один и тот же момент скачкообразно подавались сразу несколько рядом стоящих органных стенок.
После групповых скачков податливости резко опускается кровля, что часто наблюдалось во 2-северной лаве шахты «Пролетарская-Глубокая». Скорость опускания кровли в момент сброса нагрузки органными стенками составляет 5-8 мм/мин. Резкое опускание кровли наблюдается во всех рядах наблюдения (по простиранию), но величина опускания уменьшается по мере приближения к забою.
УСЛОВИЯ РАБОТЫ ОРГАННЫХ СТЕНОК
Во время наблюдений было установлено, что рабочие поверхности органных стенок в некоторых лавах несут на себе слой угольной мелочи.
На органных стенках, установленных во 2 западной и 4 западной лавах шахты № 9 и во 2-северной лаве шахты «Пролетарская-Глубокая», прослоек угля на поверхности крепи отсутствовал. В 1-восточной лаве слой угля был слабо заметным, что связано с обводненностью лавы; небольшая загрязненность углем отмечалась в условиях 14-восточной лавы шахты № 43.
Значительно большая толщина слоя угольной мелочи наблюдалась на поверхностях трения органных стенок, работающих в 7-восточной лаве шахты №27 и 3-южной шахты «Центральная-Боковская». Слой достигал 0,5, иногда 1,0 мм.
Проведенные наблюдения показали, что степень загрязненности углем поверхностей трения зависит от способа выемки. \10\ При комбайновой выемке загрязненность меньше (шахта №9), чем при машинной выемке и ручной навалке (шахты №27 и «Центральная-Боковская»), наибольшая - в случае применения взрывной отбойки
Наблюдениями были установлены также неудовлетворительные условия контакта опорных поверхностей с кровлей и почвой.
В результате неудовлетворительного контакта податливость органных стенок всегда была меньше опускания кровли. Разность между опусканием кровли и податливостью в среднем составляла не меньше 15 мм (4-западная лава шахты №9 и 2-северная шахты «Пролетарская-Глубокая»), а в 14-восточной лаве шахты №43 – 37 мм.
С целью определения коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок были проведены измерения распорного усилия при помощи специальных измерительных клиньев.
Результаты наблюдений за состоянием кровли подтвердили положение о существовании предварительной трещиноватости пород, обусловленной ведением горных работ и решающим влиянием этого фактора на обрушаемость пород.
ГЛАВА IV
Опыты по изучению причин и характера изменения рабочей характеристики органных стенок
В этой главе приводится методика и результаты изучения рабочей характеристики органных стенок.
Опыты проводились путем нагружения стенок на 150-тонном прессе. Объектом опытов служили как стенки, ранее находившиеся в работе (привезенные с шахт), так и новые.
Опытами установлено, что характеристика органных стенок, не находившихся в работе, близко соответствует проектной, если их рабочие поверхности сухие и не загрязнены углем. При натирании рабочих поверхностей влажным углем жесткость крепи резко снижается. Тангенс угла наклона рабочей характеристики после натирания влажным углем снижается примерно в 10 раз. Наибольшее влияние на характеристику оказывает натирание антрацитом. Изменение рабочей характеристики одной из стенок показано на рис. 2. \11\
Характеристика органных стенок, ранее находившихся в работе, до натирания углем более пологая, чем проектная характеристика.
Во время испытаний отмечена деформация винтовых стержней органных стенок ОК-150, что связано с ростом распорного усилия при снижении коэффициента трения.
Испытаниями установлено, что органные стенки, не находившиеся в работе до натирания углем, подаются скачками, после натирания податливость становится плавной, но через несколько нагружений, если натирание не повторялось, снова появляются скачки.\12\
ГЛАВА V
Опыты по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения
В этой главе приведены результаты измерений коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок и специальных образцов, изготовленных из материала этой крепи.
Определения коэффициента трения рабочих поверхностей проводились двумя методами:
а) по нагрузке и распорному усилию;
б) по измерению момента трения в опорной пяте винтового стержня.
Первым методом установлено, что коэффициент трения сухих поверхностей порядка 0,27 после натирания влажным углем снижается до 0,20, Если натирание не повторялось, коэффициент трения постепенно повышался.
Второй метод показал, что коэффициент трения) поверхностей крепи, интенсивно смазанных влажным углем, резко снижается с ростом удельного давления на контакте от 0,32 при давлении 100 кг/см2 до 0,16 при давлении 1200 кг/см2.
Опыты по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения стальных образцов производились на специальном приспособлении, изготовленном по чертежам автора в мастерских ЛГИ.
Опытами установлено, что основными факторами, определяющими значение коэффициента трения при угольной смазке, являются:
а) влажность угля;
б) марка угля;
в) удельное давление.
Коэффициент трения гладких поверхностей, смазанных углем, изменяется в пределах 0,17-0,43 в зависимости от марки угля. Меньшее значение соответствует смазке антрацитом, большее - смазке углем «Д». Остальные угли дают промежуточные значения в последовательности, обратной степени метаморфизма угля.
Удельное давление при смазке сухим углем мало влияет на коэффициент трения; при смазке влажным углем коэффициент трения с ростом удельного давления снижается.
При давлении 800 кг/см2, т. е. давлении одного порядка с тем, которое имеет место при работе органных стенок и большинства других конструкций металлической крепи, коэффициент трения поверхностей, смазанных влажным углем, даже \13\ при угле марки «Д» не превышает 0,2. В этих условиях марочный состав угля меньше влияет на коэффициент трения, что по-видимому объясняется тем фактом, что столь резкое отличие коэффициентов трения при разных марках углей не было отмечено опытами Ковальского и др. специалистов, поскольку они применяли для смазки поверхностей крепи влажный уголь.
Результаты опытов в части зависимости коэффициента трения от марки угля были проверены автором на стойке СМЛ. Сопротивление стойки, соответствующее податливости 50 мм, составляло при смазке поверхностей трения сухим углем марки ПЖ 4200 кг, при смазке антрацитом - 2520 кг.
ГЛАВА VI
Анализ результатов исследований
В этой главе анализируются результаты исследований в шахтных условиях и в лабораториях.
На основе анализа установлен оптимальный тип рабочей характеристики органных стенок и примерное значение допускаемого снижения рабочего сопротивления при изменении типа характеристики. Установлен характер влияния условий эксплуатации на рабочую характеристику органных стенок. По данным исследований изучены вопросы, касающиеся скачкообразной податливости органных стенок.
В этой главе делается также попытка в общих чертах объяснить физику явлений при трении со смазкой угольной мелочью.
Основные выводы по работе, которые должны учитываться при решении практических задач создания и эксплуатации стенок:
1. Рабочее сопротивление органных стенок ОК-150 и ОКУ имеет запас, который может быть снят при переходе на характеристику постоянного сопротивления.
Средняя нагрузка на органные стенки при установке их через 1 метр составляет около 40 т, максимальная нагрузка – 70-80 т. В отдельные циклы отмечены нагрузки порядка 100-120 т.
Разница между средней и максимальными нагрузками связана с разбросом характеристики органных стенок и неравномерными условиями контакта опорных плит крепи с боковыми породами. \14\
Работоспособность крепи определяется средней нагрузкой, рабочее же сопротивление устанавливается по максимальным нагрузкам.
При характеристике постоянного сопротивления все органные стенки будут нагружены равномерно, что позволит при том же среднем сопротивлении органного ряда применить крепь с меньшим рабочим сопротивлением.
Исследования показали, что в тех же условиях, где работают органные стенки ОКУ, имеющие рабочее сопротивление 150 т, можно применять без изменения плотности крепи, органные стенки с постоянным сопротивлением, равным 80 т.
Снижение рабочего сопротивления позволит облегчить конструкцию и тем самым повысит эффективность применения органных стенок.
2. Применение крепи с постоянным сопротивлением 80 т уменьшит опускание кровли в лаве и тем самым улучшит ее состояние.
Средняя нагрузка на органные стенки ОКУ, равная 80 т, отмечается только в периоды осадок основной кровли, а остальное же время она, как указывалось, составляет около 40 т. Благодаря высокой жесткости крепи постоянного сопротивления, нагрузка на нее будет выше, чем на крепь ОКУ, соответственно повысится несущая способность органного ряда и уменьшится опускание кровли.
Создание крепей, имеющих теоретическую характеристику постоянного сопротивления, связано с трудностями конструктивного порядка, поэтому можно допустить, чтобы до развития полного сопротивления крепь подавалась на 10-20 мм. Начальное сопротивление в этом случае может быть порядка 1-2 т. Допустимая конструкцией максимальная податливость при условии, что функции податливости и регулировки по высоте будут разделены, должна составлять 200 мм.
Рабочая характеристика органных стенок, не находившихся в работе, близко соответствует проектной. Начальное сопротивление ниже проектного и находится в пределах 6-16 т, но жесткость выше, поэтому сопротивление стенки после начала податливости, примерно, соответствует проектному.
В процессе эксплуатации характеристика изменяется) и отклоняется от проектной в результате изменения коэффициента трения на контакте рабочих поверхностей и деформации винтов.
Неустойчивости рабочей характеристики способствует \15\ повышенная чувствительность этого типа крепи к изменениям коэффициента трения.
В отличие от стоек, имеющих прямолинейную зависимость между коэффициентом трения и сопротивлением, у органных стенок эта зависимость имеет форму параболы, благодаря чему небольшие изменения коэффициента трения вызывают значительные изменения сопротивления крепи. При снижении f с 0,29 до 0,20 сопротивление падает с 150 т до 45 т. Эта ее особенность способствует повышенной деформации крепи.
5. Основной причиной изменения коэффициента трения является влияние угольной мелочи и влажности. При смазке сухим углем коэффициент трения изменяется в зависимости от марки угля в широких пределах - от 0,17 при антраците до 0,43 при угле марки «Д». При смазке влажным углем и давлении 800 кг/см2 значения коэффициента трения изменяются в зависимости от марки угля в пределах 0,1-0,2.
Коэффициент трения мало изменяется при смачивании поверхностей чистой водой.
Влияние угольной мелочи на коэффициент трения зависит от способа выемки. При комбайновой выемке оно сказывается меньше, чем при выемке с подрубкой врубовой машиной и ручной навалкой, так как главную роль играет не запыленность крепи, а ее заштыбованность.
Используя результаты шахтных и лабораторных исследований, определены примерные значения коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок для различных условий эксплуатации и по ним рассчитано сопротивление крепи. С целью сопоставления с проектным сопротивлением (150 т) расчет ведется для податливости 40-60 мм. Результаты расчета приведены в табл.1.
\16\ Изменение рабочей характеристики органных стенок во время эксплуатации должно учитываться при выборе средств крепления лавы и при составлении паспортов крепления и управления кровлей. При учете рекомендуется руководствоваться примерными данными, приведенными в таблице 1.
8. Существенным недостатком податливых крепей, работающих на принципе трения, является скачкообразная податливость, связанная с резким снижением коэффициента трения при переходе от покоя к движению.
Величина сброса нагрузки изменяется в широких пределах. Наблюдались случаи полного сброса нагрузки и даже образования зазоров между плитой и кровлей. Полный сброс нагрузки происходит при мгновенном снижении коэффициента трения с 0,29 до 0,19.
Особую опасность представляют групповые скачки - случаи, когда скачком одновременно подается несколько рядом стоящих стенок. Явление групповых скачков не наблюдалось при работе стоек.
Различие сопротивления рядом расположенных органных стенок, обусловленное скачками податливости, способствует взаимному смещению участков пород, прилегающих к стенкам, что в условиях слабо связанных и трещиноватых пород может привести к разрывам оплошности кровли. Возможность применения органных стенок типа ОКУ в этих условиях должна быть проверена специальными шахтными исследованиями.
Скачкообразная податливость ухудшает контакт опорных плит с кровлей и тем самым снижает жесткость опоры, создаваемой органными стенками.
Результаты работы опубликованы в статьях:
1. Влияние условий эксплуатации на рабочую характеристику органных стенок типа ОК. Записки Ленинградского орденов Ленина и Трудового Красного Знамени горного института имени Г. В. Плеханова, т. XXXVI, вып. 1, 1958 г., стр.38.
2. Об условиях, влияющих на изменение коэффициента трения и рабочей характеристики органных стенок типа ОК-150 и ОКУ. Журнал «Уголь Украины» № 2, 1958 г., стр.12.
БП 08409 6/V-59 г. г. Сталино, тип. Совнархоза, з.1508 - 150
В условиях пологопадающих пластов Донецкого бассейна наиболее эффективным способом управления кровлей является полное обрушение. До войны и в первые послевоенные годы полное обрушение было распространено меньше, чем частичная закладка. Так, в 1950 г. в лавах, работающих с полным обрушением, было добыто 32,6% всего угля по Донбассу, в лавах с частичной закладкой - 51,0%.
Ограниченное распространение управления кровлей полным обрушением объяснялось не геологическими условиями, а рядом производственных факторов, куда в первую очередь следует отнести высокую трудоемкость по возведению органной крепи и большие затраты лесоматериалов. В качестве органной крепи в то время применялась деревянная органка, реже - кусты.
Применение металлических стоек в качестве органной крепи не дало эффекта в отношении трудоемкости работ, а вместо расхода лесоматериалов появились потери металлической крепи.
С целью большего распространения управления кровлей полным обрушением в 1948 г. Гипроуглемашем был создан новый вид крепи - так называемые «органные стенки» (следует отметить, что ввиду отсутствия определенной терминологии в последнее время некоторые специалисты называют эту крепь «посадочные стойки»).
Первая конструкция органных стенок МОС-1 представляла собой жесткую крепь с рабочим сопротивлением 250 т. Органные стенки МОС-1 и последующие (усовершенствованные конструкции жестких органных стенок работали удовлетворительно, если они применялись с деревянными прокладками, без прокладок же отмечались частые случаи деформации крепи. Этот факт, а также опыт применения в качестве органной крепи металлических податливых стоек и специальные \4\ наблюдения, проведенные ДонУГИ на шахтах Донбасса, указали на возможность и целесообразность создания органных стенок облегченного типа, имеющих податливую характеристику.
По этим данным в 1952 г. Гипроуглемашем были созданы для маломощных пластов органные стенки ОК-150 с рабочим сопротивлением 150 т.
Испытаниями установлена работоспособность этой крепи. С 1953 г. органные стенки ОК-150 начали изготовляться серийно. Впоследствии их конструкция была усовершенствована, новая крепь получила наименование ОКУ.
Количество лав, где применяется крепь ОК-150 и ОКУ, с каждым годом увеличивается. В начале 1957 г. на Донбассе работало уже около 400 лав с этой крепью. Ведется внедрение на шахтах Карагандинского бассейна, Кузбасса, Львовско-Волынского бассейна.
Опыт применения крепи ОК-150 и ОКУ показал, что ее рабочее сопротивление и характеристика (зависимость между сопротивлением и податливостью) в ряде случаев не соответствует техническим условиям, что снижает эффективность применения данной крепи, Отмечены также случаи неудовлетворительной работы органных стенок в связи с изменением рабочей характеристики в процессе эксплуатации
В настоящей работе поставлены две задачи:
1) выяснить вопрос соответствия рабочей характеристики органных стенок техническим условиям; 2) установить причины и характер изменения рабочей характеристики.
Для решения задач использованы данные по изучению работы органной крепи, освещенные в технической литературе, а также поставлены специальные исследования в шахтных условиях и в лабораториях.
Работа состоит из 6 глав.
Конструкция и условия применения органных стенок ОК-150 и ОКУ
В этой главе приводится техническая характеристика и описывается конструкция и принцип работы органных стенок. Приводятся примеры неудовлетворительного применения органных стенок в связи с неправильно составленными паспортами управления кровлей и крепления. Рассматриваются \5\ основные положения, которые должны учитываться при составлении паспортов, и типовые паспорта, предложенные ДонУГИ.
Здесь же описываются общие положения организации работ по управлению кровлей с применением органных стенок.
Основные направления исследований
В начале главы определяются понятия несущей способности органного ряда, рабочего сопротивления крепи, рабочей характеристики; рассматриваются наиболее распространенные типы рабочей характеристики: постоянного сопротивления и возрастающего сопротивления.
Одним из направлений исследований явилось изучение соответствия рабочей характеристики органных стенок техническим условиям. Для решения этого вопроса необходимо иметь представление о роли органной крепи в механизме взаимодействия боковых пород с крепью.
На основе анализа работ по изучению механизма взаимодействия боковых пород с крепью, основанных на теоретическом изучении, производственном эксперименте и опытах на моделях из эквивалентных материалов (работы В.Т. Давидянца, Г.Н. Кузнецова, А.Д. Панова и бельгийских специалистов Лабасса, Преа и др. авторов), установлены следующие положения по вопросу о назначении органной крепи.
Ведение очистных работ вызывает изменение напряженного состояния окружающих выработку горных пород, в результате чего в непосредственной близости к выработке породы оказываются разбиты системой трещин. Эти трещины ослабляют массив, но связи между отдельными участками кровли частично сохранены. Степень связности зависит от величины опускания кровли. При значительном опускании кровли может произойти полное нарушение связности, что приведет к осложнениям работ в лаве и к завалам. Органная крепь должна создавать достаточно жесткую опору, чтобы опускание кровли не превышало предельную величину, при которой полностью нарушается связность пород.
Однако при очень жесткой опоре со стороны органной крепи растрескивание пород может оказаться слабым, что ухудшит обрушаемость непосредственной кровли. Поэтому величина опускания кровли должна находиться между нижним \6\ пределом (условие хорошего обрушения) и верхним (условие связности непосредственной кровли).
Таким образом, назначение органной крепи - управлять движением кровли и тем самым регулировать степенью связности и обрушаемости пород.
Для изучения вопроса, какую характеристику должны иметь органные стенки с точки зрения указанного их назначения, настоящей работой было предусмотрено проведение специальных исследований в шахтных условиях.
Другим направлением исследований явилось изучение причин и характера отклонения фактической характеристики от проектной. Задача связана с изучением вопросов трения, поэтому решение ее может иметь значение не только для данных конструкций, но и для других видов фрикционной крепи.
Анализ конструкции органных стенок ОК-150 и ОКУ показывает, что основной причиной изменения рабочей характеристики этой крепи в процессе эксплуатации является изменение коэффициента трения. Зависимость сопротивления органных стенок от коэффициента трения приведена на рис. 1 (линия
). Здесь же указано
изменение распорного усилия при нагрузке на стенку 70 т. Как
видно из этого графика, сопротивление органных стенок с коэффициентом
трения связано параболической зависимостью в отличие от прямолинейной
зависимости у металлических стоек. Это указывает на особую
чувствительность органных стенок к изменениям коэффициента трения.
Одним из недостатков фрикционных крепей является скачкообразная податливость, связанная с резким снижением коэффициента трения при переходе от покоя к движению. Анализ этого вопроса на основании положений теоретической механики показывает, что в связи со скачкообразной податливостью крепь часто полностью разгружается. Полная разгрузка крепей с плоскопараллельными поверхностями трения происходит при мгновенном снижении коэффициента трения в два раза при переходе от покоя к движению; условие полной разгрузки органных стенок ОК-150 и ОКУ имеет вид:
\7\
где:
- коэффициент упругости системы, оказывающей давление
на крепь; - коэффициент, определяющий степень изменения
распорного усилия при податливости; - функция коэффициента трения, определяющая связь
между сопротивлением стенки и распорным усилием, соответствующая трению
покоя; - та же функция, соответствующая трению движения;
множитель (1 - 2) определяет характер изменения коэффициента трения при
переходе от покоя к движению. При плавном снижении коэффициента трения принимается множитель 1, при мгновенном снижении - 2.
Вопросы трения применительно к шахтной крепи изучались советскими и зарубежными специалистами (Комиссаров, Шумейко, Ковальский, Куун, Якоби и др.), но некоторые стороны изучены недостаточно. Установлено, что основной \8\ причиной изменения коэффициента трения является влияние угольной мелочи и влаги, но вопросы, как влияет состав угля, удельное давление и некоторые другие факторы на коэффициент трения изучены слабо. Одним из основных вопросов исследований явилось выявление связи между условиями эксплуатации и степенью загрязненности крепи углем.
Для решения поставленной задачи в лабораторных условиях были поставлены опыты с целью определения причин и характера изменения рабочей характеристики органных стенок, а также специальные исследования по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения.
Исследования работы органных стенок в шахтных условиях
В этой главе рассматривается методика исследований работы органных стенок в шахтных условиях, описаны условия применения органных стенок и приводятся результаты исследований.
Исследования проводились на шахтах № 9 и № 27 треста «Снежнянантрацит», «Центрально-Боковской» треста «Боковоантрацит», «Пролетарской-Глубокой» треста «Макеевуголь», № 43 треста «Чистяковантрацит». Использованы первичные материалы исследований на шахте № 3-бис треста «Чистяковантрацит», главной целью которых было изучение работы гидравлических стоек.
По данным исследований, максимальная нагрузка на органные стенки в течение цикла их работы (с момента установки до момента передвижки) в среднем составляет 40-50 т, в некоторых лавах в периоды осадки основной кровли отмечались редкие случаи нагрузок порядка 100-120 т.
Средняя податливость органных стенок в зависимости от лавы и цикла наблюдений изменяется в пределах от 6 до 60 мм. Отмеченная за период исследований максимальная податливость составила 101 мм.
Опускание кровли подчиняется тем же закономерностям, которые были установлены ранее: наибольшая скорость опускания кровли отмечена в периоды ведения производственных процессов выемки угля и посадки (4-6 мм/час), в периоды отсутствия этих процессов скорость опускания кровли около 0,5 мм/час. \9\
Нагрузка на органные стенки примерно следует той же закономерности, что и опускание кровли. Сразу после установки органной стенки нагрузка на нее интенсивно растет, что связано с интенсивным движением кровли в период посадки лавы. После обрушения кровли против ряда наблюдений рост нагрузки замедляется, а если перед этим произошел сброс нагрузки - приостанавливается. При проходе комбайна нагрузка снова интенсивно растет. К концу рост нагрузки затухает, в отдельных случаях наблюдается ее снижение.
При исследованиях часто наблюдалась скачкообразная податливость органных стенок, сопровождаемая громким стуком. Скачок всегда сопровождался сбросом нагрузки. Зафиксированы также групповые скачки, т. е. случаи, когда в один и тот же момент скачкообразно подавались сразу несколько рядом стоящих органных стенок.
После групповых скачков податливости резко опускается кровля, что часто наблюдалось во 2-северной лаве шахты «Пролетарская-Глубокая». Скорость опускания кровли в момент сброса нагрузки органными стенками составляет 5-8 мм/мин. Резкое опускание кровли наблюдается во всех рядах наблюдения (по простиранию), но величина опускания уменьшается по мере приближения к забою.
Во время наблюдений было установлено, что рабочие поверхности органных стенок в некоторых лавах несут на себе слой угольной мелочи.
На органных стенках, установленных во 2 западной и 4 западной лавах шахты № 9 и во 2-северной лаве шахты «Пролетарская-Глубокая», прослоек угля на поверхности крепи отсутствовал. В 1-восточной лаве слой угля был слабо заметным, что связано с обводненностью лавы; небольшая загрязненность углем отмечалась в условиях 14-восточной лавы шахты № 43.
Значительно большая толщина слоя угольной мелочи наблюдалась на поверхностях трения органных стенок, работающих в 7-восточной лаве шахты №27 и 3-южной шахты «Центральная-Боковская». Слой достигал 0,5, иногда 1,0 мм.
Проведенные наблюдения показали, что степень загрязненности углем поверхностей трения зависит от способа выемки. \10\ При комбайновой выемке загрязненность меньше (шахта №9), чем при машинной выемке и ручной навалке (шахты №27 и «Центральная-Боковская»), наибольшая - в случае применения взрывной отбойки
Наблюдениями были установлены также неудовлетворительные условия контакта опорных поверхностей с кровлей и почвой.
В результате неудовлетворительного контакта податливость органных стенок всегда была меньше опускания кровли. Разность между опусканием кровли и податливостью в среднем составляла не меньше 15 мм (4-западная лава шахты №9 и 2-северная шахты «Пролетарская-Глубокая»), а в 14-восточной лаве шахты №43 – 37 мм.
С целью определения коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок были проведены измерения распорного усилия при помощи специальных измерительных клиньев.
Результаты наблюдений за состоянием кровли подтвердили положение о существовании предварительной трещиноватости пород, обусловленной ведением горных работ и решающим влиянием этого фактора на обрушаемость пород.
Опыты по изучению причин и характера изменения рабочей характеристики органных стенок
В этой главе приводится методика и результаты изучения рабочей характеристики органных стенок.
Опыты проводились путем нагружения стенок на 150-тонном прессе. Объектом опытов служили как стенки, ранее находившиеся в работе (привезенные с шахт), так и новые.
Опытами установлено, что характеристика органных стенок, не находившихся в работе, близко соответствует проектной, если их рабочие поверхности сухие и не загрязнены углем. При натирании рабочих поверхностей влажным углем жесткость крепи резко снижается. Тангенс угла наклона рабочей характеристики после натирания влажным углем снижается примерно в 10 раз. Наибольшее влияние на характеристику оказывает натирание антрацитом. Изменение рабочей характеристики одной из стенок показано на рис. 2. \11\
Характеристика органных стенок, ранее находившихся в работе, до натирания углем более пологая, чем проектная характеристика.
Во время испытаний отмечена деформация винтовых стержней органных стенок ОК-150, что связано с ростом распорного усилия при снижении коэффициента трения.
Испытаниями установлено, что органные стенки, не находившиеся в работе до натирания углем, подаются скачками, после натирания податливость становится плавной, но через несколько нагружений, если натирание не повторялось, снова появляются скачки.\12\
Опыты по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения
В этой главе приведены результаты измерений коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок и специальных образцов, изготовленных из материала этой крепи.
Определения коэффициента трения рабочих поверхностей проводились двумя методами:
а) по нагрузке и распорному усилию;
б) по измерению момента трения в опорной пяте винтового стержня.
Первым методом установлено, что коэффициент трения сухих поверхностей порядка 0,27 после натирания влажным углем снижается до 0,20, Если натирание не повторялось, коэффициент трения постепенно повышался.
Второй метод показал, что коэффициент трения) поверхностей крепи, интенсивно смазанных влажным углем, резко снижается с ростом удельного давления на контакте от 0,32 при давлении 100 кг/см2 до 0,16 при давлении 1200 кг/см2.
Опыты по изучению влияния угольной мелочи на коэффициент трения стальных образцов производились на специальном приспособлении, изготовленном по чертежам автора в мастерских ЛГИ.
Опытами установлено, что основными факторами, определяющими значение коэффициента трения при угольной смазке, являются:
а) влажность угля;
б) марка угля;
в) удельное давление.
Коэффициент трения гладких поверхностей, смазанных углем, изменяется в пределах 0,17-0,43 в зависимости от марки угля. Меньшее значение соответствует смазке антрацитом, большее - смазке углем «Д». Остальные угли дают промежуточные значения в последовательности, обратной степени метаморфизма угля.
Удельное давление при смазке сухим углем мало влияет на коэффициент трения; при смазке влажным углем коэффициент трения с ростом удельного давления снижается.
При давлении 800 кг/см2, т. е. давлении одного порядка с тем, которое имеет место при работе органных стенок и большинства других конструкций металлической крепи, коэффициент трения поверхностей, смазанных влажным углем, даже \13\ при угле марки «Д» не превышает 0,2. В этих условиях марочный состав угля меньше влияет на коэффициент трения, что по-видимому объясняется тем фактом, что столь резкое отличие коэффициентов трения при разных марках углей не было отмечено опытами Ковальского и др. специалистов, поскольку они применяли для смазки поверхностей крепи влажный уголь.
Результаты опытов в части зависимости коэффициента трения от марки угля были проверены автором на стойке СМЛ. Сопротивление стойки, соответствующее податливости 50 мм, составляло при смазке поверхностей трения сухим углем марки ПЖ 4200 кг, при смазке антрацитом - 2520 кг.
Анализ результатов исследований
В этой главе анализируются результаты исследований в шахтных условиях и в лабораториях.
На основе анализа установлен оптимальный тип рабочей характеристики органных стенок и примерное значение допускаемого снижения рабочего сопротивления при изменении типа характеристики. Установлен характер влияния условий эксплуатации на рабочую характеристику органных стенок. По данным исследований изучены вопросы, касающиеся скачкообразной податливости органных стенок.
В этой главе делается также попытка в общих чертах объяснить физику явлений при трении со смазкой угольной мелочью.
Основные выводы по работе, которые должны учитываться при решении практических задач создания и эксплуатации стенок:
1. Рабочее сопротивление органных стенок ОК-150 и ОКУ имеет запас, который может быть снят при переходе на характеристику постоянного сопротивления.
Средняя нагрузка на органные стенки при установке их через 1 метр составляет около 40 т, максимальная нагрузка – 70-80 т. В отдельные циклы отмечены нагрузки порядка 100-120 т.
Разница между средней и максимальными нагрузками связана с разбросом характеристики органных стенок и неравномерными условиями контакта опорных плит крепи с боковыми породами. \14\
Работоспособность крепи определяется средней нагрузкой, рабочее же сопротивление устанавливается по максимальным нагрузкам.
При характеристике постоянного сопротивления все органные стенки будут нагружены равномерно, что позволит при том же среднем сопротивлении органного ряда применить крепь с меньшим рабочим сопротивлением.
Исследования показали, что в тех же условиях, где работают органные стенки ОКУ, имеющие рабочее сопротивление 150 т, можно применять без изменения плотности крепи, органные стенки с постоянным сопротивлением, равным 80 т.
Снижение рабочего сопротивления позволит облегчить конструкцию и тем самым повысит эффективность применения органных стенок.
2. Применение крепи с постоянным сопротивлением 80 т уменьшит опускание кровли в лаве и тем самым улучшит ее состояние.
Средняя нагрузка на органные стенки ОКУ, равная 80 т, отмечается только в периоды осадок основной кровли, а остальное же время она, как указывалось, составляет около 40 т. Благодаря высокой жесткости крепи постоянного сопротивления, нагрузка на нее будет выше, чем на крепь ОКУ, соответственно повысится несущая способность органного ряда и уменьшится опускание кровли.
Создание крепей, имеющих теоретическую характеристику постоянного сопротивления, связано с трудностями конструктивного порядка, поэтому можно допустить, чтобы до развития полного сопротивления крепь подавалась на 10-20 мм. Начальное сопротивление в этом случае может быть порядка 1-2 т. Допустимая конструкцией максимальная податливость при условии, что функции податливости и регулировки по высоте будут разделены, должна составлять 200 мм.
Рабочая характеристика органных стенок, не находившихся в работе, близко соответствует проектной. Начальное сопротивление ниже проектного и находится в пределах 6-16 т, но жесткость выше, поэтому сопротивление стенки после начала податливости, примерно, соответствует проектному.
В процессе эксплуатации характеристика изменяется) и отклоняется от проектной в результате изменения коэффициента трения на контакте рабочих поверхностей и деформации винтов.
Неустойчивости рабочей характеристики способствует \15\ повышенная чувствительность этого типа крепи к изменениям коэффициента трения.
В отличие от стоек, имеющих прямолинейную зависимость между коэффициентом трения и сопротивлением, у органных стенок эта зависимость имеет форму параболы, благодаря чему небольшие изменения коэффициента трения вызывают значительные изменения сопротивления крепи. При снижении f с 0,29 до 0,20 сопротивление падает с 150 т до 45 т. Эта ее особенность способствует повышенной деформации крепи.
5. Основной причиной изменения коэффициента трения является влияние угольной мелочи и влажности. При смазке сухим углем коэффициент трения изменяется в зависимости от марки угля в широких пределах - от 0,17 при антраците до 0,43 при угле марки «Д». При смазке влажным углем и давлении 800 кг/см2 значения коэффициента трения изменяются в зависимости от марки угля в пределах 0,1-0,2.
Коэффициент трения мало изменяется при смачивании поверхностей чистой водой.
Влияние угольной мелочи на коэффициент трения зависит от способа выемки. При комбайновой выемке оно сказывается меньше, чем при выемке с подрубкой врубовой машиной и ручной навалкой, так как главную роль играет не запыленность крепи, а ее заштыбованность.
Используя результаты шахтных и лабораторных исследований, определены примерные значения коэффициента трения рабочих поверхностей органных стенок для различных условий эксплуатации и по ним рассчитано сопротивление крепи. С целью сопоставления с проектным сопротивлением (150 т) расчет ведется для податливости 40-60 мм. Результаты расчета приведены в табл.1.
Таблица 1
| Марка добываемого угля |
Комбайновая выемка |
Зарубка машинная и
ручная навалка |
||
| сухая лава |
мокрая лава |
сухая лава |
мокрая лава |
|
| Антрацит, Т |
80-100 |
80-100 |
20-50 |
15-20 |
| ПЖ, Т |
150 |
150 |
150 |
30-50 |
| Д |
150 |
150 |
свыше
150 |
|
\16\ Изменение рабочей характеристики органных стенок во время эксплуатации должно учитываться при выборе средств крепления лавы и при составлении паспортов крепления и управления кровлей. При учете рекомендуется руководствоваться примерными данными, приведенными в таблице 1.
8. Существенным недостатком податливых крепей, работающих на принципе трения, является скачкообразная податливость, связанная с резким снижением коэффициента трения при переходе от покоя к движению.
Величина сброса нагрузки изменяется в широких пределах. Наблюдались случаи полного сброса нагрузки и даже образования зазоров между плитой и кровлей. Полный сброс нагрузки происходит при мгновенном снижении коэффициента трения с 0,29 до 0,19.
Особую опасность представляют групповые скачки - случаи, когда скачком одновременно подается несколько рядом стоящих стенок. Явление групповых скачков не наблюдалось при работе стоек.
Различие сопротивления рядом расположенных органных стенок, обусловленное скачками податливости, способствует взаимному смещению участков пород, прилегающих к стенкам, что в условиях слабо связанных и трещиноватых пород может привести к разрывам оплошности кровли. Возможность применения органных стенок типа ОКУ в этих условиях должна быть проверена специальными шахтными исследованиями.
Скачкообразная податливость ухудшает контакт опорных плит с кровлей и тем самым снижает жесткость опоры, создаваемой органными стенками.
Результаты работы опубликованы в статьях:
1. Влияние условий эксплуатации на рабочую характеристику органных стенок типа ОК. Записки Ленинградского орденов Ленина и Трудового Красного Знамени горного института имени Г. В. Плеханова, т. XXXVI, вып. 1, 1958 г., стр.38.
2. Об условиях, влияющих на изменение коэффициента трения и рабочей характеристики органных стенок типа ОК-150 и ОКУ. Журнал «Уголь Украины» № 2, 1958 г., стр.12.
БП 08409 6/V-59 г. г. Сталино, тип. Совнархоза, з.1508 - 150
© 2005 Редакция: KPATEP
